CN102901478A

CN102901478A - 一种近水面航行器潜深及垂荡测量装置和方法

Info

Publication number: CN102901478A
Application number: CN2012104370723A
Authority: CN
Inventors: 龚喜; 张晋斌; 李小兵; 易谷丰; 邵兴
Original assignee: 710th Research Institute of CSIC
Current assignee: 710th Research Institute of CSIC
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开一种近水面航行器潜深及垂荡测量装置和方法,该装置包括超声波测潜仪、姿态传感器、两个液位传感器和数据处理单元。两个液位传感器位于航行器的中轴线上，分别位于在航行器的首尾两部，测量航行器首尾两端的潜深。超声波测潜仪布置在近水面航行器的中间位置；测量航行器上表面与水面间的距离。姿态传感器布置在航行器的浮心位置，测量航行器的俯仰角和垂向速度。数据处理单元位于航行器的控制舱内，实时采集并处理所有传感器和超声波测潜仪的测量数据。该方法结合液位传感器和超声波测潜仪，以液位传感器为主，超声波测潜仪为辅，结合航行器的姿态传感器对两者数据进行修正和补偿，从而准确测量航行器在复杂环境下的真实潜深和垂荡。

Description

一种近水面航行器潜深及垂荡测量装置和方法

技术领域

发明涉及一种近水面航行器潜深及垂荡测量装置和方法。

背景技术

近水面深度测量和波浪干扰处理技术成为一个技术难点，采用压力传感器测量航行器的潜深在深水域有着良好的效果，一旦在较浅的水域（近水面），压力传感器进入到死区状态，很容易造成测量数据的失真，同时近水面高海况下波浪的影响，导致了测量数据的有着较大幅度的变化，为后面的控制***处理带来了麻烦，一般的深度测量方法是在原始深度数据的基础上通过人工经验进行数字滤波处理，其算法只适合于规则波的处理。

除了通过压力传感器进行深度测量之外，工程上还可以采用声学测量方式，相对于压力传感器来说，速度变化引起航行器耐波性的变化会对压力传感器产生一个动压干扰，而超声波测潜仪能够适应航行器速度的变化，但是声学方式测量在静水域有着良好的效果，而遇到海浪干扰时，海洋近水面会产生较多的气泡，会对声学设备造成很大的干扰，引起测量数据的失真。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种近水面航行器潜深及垂荡测量装置和方法，该装置结合液位传感器和超声波测潜仪的优势，以液位传感器为主，超声波测潜仪为辅，对海浪进行预估计和处理，同时结合近水面航行器的姿态传感器对两者数据进一步修正和补偿，实现近水面航行器潜深和垂荡的测量。

本发明的近水面航行器潜深和垂荡测量方法采用液位传感器、姿态传感器及超声波测潜仪相结合的方式对近水面航行器潜深和垂荡进行测量；所述两个液位传感器分别布置在近水面航行器的首部和尾部；所述超声波测潜仪布置在近水面航行器的中间位置；所述姿态传感器布置在近水面航行器的浮心位置。

具体测量步骤为：

步骤一：姿态传感器、两个液位传感器以及超声波测潜仪接收到数据处理单元的数据采集指令后，将测量数据实时发送给数据处理单元；且姿态传感器和两个液位传感器的输出频率相同，均大于超声波测潜仪的输出频率；

步骤二：数据处理单元每接收一次超声波测潜仪的测量数据后，对前后两时刻间已接收到的其它四组数据进行预处理；分别得到近水面航行器首部潜深的有效数据H1，近水面航行器尾部潜深的有效数据H2，近水面航行器俯仰角α和近水面航行器的垂向速度v；

步骤三：数据处理单元通过预处理后的数据对外界海洋环境进行判断

301：数据处理单元计算近水面航行器首尾两端潜深的实际偏差ΔH=H1-H2；

302：数据处理单元将计算得到的实际偏差ΔH与海面没有波浪时近水面航行器首尾两端潜深的理想偏差进行PH对比，所述PH=L×sinα，其中L为近水面航行器的长度；

若（ΔH-PH）/PH大于1/3，则初步认为有海浪，进入步骤304；否则，初步认为没有海浪，直接进入步骤402；

304：通过超声波测潜仪进一步确认是否有海浪：

数据处理单元依据采集到的当前时刻超声波测潜仪的输出确认是否有海浪：若超声波测潜仪的当前输出失真，则证明航行器正遭遇波浪，进入步骤四；若超声波测潜仪输出有效数据H3，则证明没有波浪，直接进入步骤402。

步骤四：数据融合处理

401：通过预处理后的垂向速度v来判断近水面航行器在波浪中的位置：

若垂向速度v的绝对值小于设定值，则近水面航行器的真实潜深H为：

H = \frac{H 1 + H 2}{2} - ΔH 3

其中ΔH3为前后两时刻超声波测潜仪的变化量；

若垂向速度v的绝对值大于等于设定值，则近水面航行器的真实潜深为H为：

H = \frac{H 1 + H 2}{2} - ΔH 3 - L \sin α - vt

其中t为超声波测潜仪两次输出间隔的时间；L为近水面航行器的长度；

402．近水面航行器的真实潜深H为：

H = \frac{\frac{H 1 + H 2}{2} + H 3}{2}

所述近水面航行器的垂荡值为前后两时刻近水面航行器潜深的差值。

所述步骤二中预处理的四组数据分别为姿态传感器测量的近水面航行器俯仰角、垂向速度；两组液位传感器测量的近水面航行器首部和尾部的潜深；

预处理过程为：

201：数据处理单元将每组数据按大小顺序排列后去掉最大值和最小值；

202：数据处理单元取经步骤201处理后的剩余数据的中间值作为预处理数据。

基于述方法进行近水面航行器潜深和垂荡测量的装置包括两个液位传感器、姿态传感器、超声波测潜仪和数据处理单元；所述两个液位传感器分别布置在近水面航行器的首尾，用于测量近水面航行器首尾两端的潜深；所述超声波测潜仪布置在近水面航行器的中间位置，用于测量近水面航行器上表面与水面的距离；所述姿态传感器布置在近水面航行器的浮心位置，用于测量近水面航行器的俯仰角和垂向速度。所述位于近水面航行器的控制舱内，采集并处理压力传感器、姿态传感器和超声波测潜仪的测量数据。

所述姿态传感器由陀螺仪和角速度计组成。

有益效果：

（1）由于近水面航行器的工作状态分为水下和水面两种状态，其近水面深度测量过程中极易受到海浪干扰的影响，本发明先用液位传感器进行深度的初步测量，然后利用超声波测潜仪弥补液位传感器的死区，再利用姿态传感器对航行体的俯仰和垂速对深度测量进行校准和波浪补偿，进而实现近水面航行器潜深和垂荡的准确测量。

（2）该***中将超声波传感器布置于近水面航行器的中部位置，以降低航行体俯仰和横滚通道对其测量的影响，其选择的声学频率避开了近水面其它水声设备的工作频率，并对其他声学信号进行滤波处理，这样通过监测数据的真实和有效性的同时能够准确的判断海浪干扰强度。

附图说明

图1为本发明所采用装置的原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种近水面航行器潜深及垂荡测量装置和方法，该方法组合多种传感器，并将测量的多种数据进行融合处理，对波浪进行分析判定，从而准确测量近水面航行器在高海况和复杂环境下的真实潜深和垂荡。

该测量装置包括超声波测潜仪、姿态传感器、两个液位传感器和数据处理单元。

其中两个液位传感器位于近水面航行器的中轴线上，并分别位于在近水面航行器的首部和尾部。两个液位传感器分别用于测量航行器首尾两端的潜深。

超声波测潜仪布置在近水面航行器的中间位置，以降低航行器俯仰和横滚时对其测量结果的影响。超声波测潜仪用于测量近水面航行器上表面与水面间的距离，从而确认是否有海浪。超声波测潜仪采用声学测量方法，其工作原理为：从近水面航行器壳体外发射一定频率声信号到水面后再反射回来，一旦出现波浪扰动形成空泡时，其测量信号会失真，因此从超声波测潜仪数据测量数据很容易分辨航行器是否遭遇波浪。超声波测潜仪选择的声学频率应当避开近水面其它水声设备的工作频率，并对其他声学信号进行滤波处理，这样在保证测量数据真实有效的同时能够准确判断海浪的干扰强度（海浪越大，其海水表面的空气气泡越多，超声波测潜仪的失捕率越高)。

姿态传感器布置在近水面航行器的浮心位置。本实施例中的姿态传感器由陀螺仪和角速度计组成，用于测量近水面航行器的俯仰角和垂向速度。

数据处理单元位于近水面航行器的控制舱内，数据处理单元采集并处理压力传感器、姿态传感器和超声波测潜仪的测量数据。

采用上述装置对近水面航行器进行潜深和垂荡的测量方法为：

步骤一：姿态传感器、两个液位传感器以及超声波测潜仪接收到数据处理单元的数据采集指令后，将测量数据实时发送给数据处理单元；且姿态传感器和两个液位传感器的输出频率相同，均大于超声波测潜仪的输出频率。

步骤二：数据处理单元每接收一次超声波测潜仪的测量数据后，对前后两时刻间已经采集到的姿态传感器、两个液位传感器的四组数据进行预处理；所述预处理的数据包括姿态传感器测量的航行器俯仰角、垂向速度；两组液位传感器测量的航行器首尾两端的潜深；

预处理过程为：

201：数据处理单元将上述4组数据按照冒泡排序去掉最大和最小值：即将每组数据按大小顺序排列后去掉最大值和最小值；

202：数据处理单元利用中位值数字滤波得到预处理数据：即取经步骤201处理后的剩余数据的中间值，得到4个初始数据，分别为航行器首部潜深的有效数据H1、尾部潜深的有效数据H2，航行器俯仰角α，航行器的垂向速度v。

301：数据处理单元计算航行器首尾两端潜深的实际偏差ΔH：ΔH＝=H1-H2；

302：数据处理单元将计算得到的航行器首尾两端潜深的实际偏差ΔH与海面没有波浪时航行器首尾两端潜深的理想偏差PH进行对比，所述PH=L×sinα，其中L为航行器的长度；若（ΔH-PH）/PH大于1/3，则初步认为有海浪，进入步骤304；否则，初步认为没有海浪，直接进入步骤402；

304：通过超声波测潜仪进一步确认是否有海浪：

步骤四：数据融合处理，计算航行器的真实潜深

401：通过预处理后的垂向速度v来判断航行器在波浪中的位置：

若航行器的垂向速度v的绝对值（无浪时垂向速度为0，航行器向上时垂向速度为正值，航行器向下时垂向速度为负值）小于设定值，则说明此时海浪较小，航行器的潜深变化不大，此时航行器的真实潜深H为：

H = \frac{H 1 + H 2}{2} - ΔH 3

式中ΔH3为前后两时刻超声波测潜仪输出的变化量；（超声波测潜仪在失捕情况下的数据量有一定的误差，所以取前后两次测量值的差值就是为了消去误差偏移量）

若航行器的垂向速度v的绝对值大于等于设定值，则说明航行器测量数据不光受到波浪的影响，还受到航行器姿态数据的影响，此时真实潜深H为：

H = \frac{H 1 + H 2}{2} - ΔH 3 - L \sin α - vt

式中：t为超声波测潜仪两次输出间隔的时间。

402．近水面航行器的真实潜深H为：

H = \frac{\frac{H 1 + H 2}{2} + H 3}{2}

垂荡值为前后两时刻的近水面航行器潜深的差值，通过上述方法得到不同时刻近水面航行器的真实潜深后，采用当前时刻的深度值减去上一时刻的深度值就是近水面航行器的垂荡值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种近水面航行器潜深及垂荡测量方法，其特征在于，该方法采用液位传感器、姿态传感器及超声波测潜仪相结合的方式对近水面航行器潜深和垂荡进行测量；所述两个液位传感器分别布置在近水面航行器的首部和尾部；所述超声波测潜仪布置在近水面航行器的中间位置；所述姿态传感器布置在近水面航行器的浮心位置；

具体测量步骤为：

304：通过超声波测潜仪进一步确认是否有海浪：

步骤四：数据融合处理

H = \frac{H 1 + H 2}{2} - ΔH 3

其中ΔH3为前后两时刻超声波测潜仪的变化量；

H = \frac{H 1 + H 2}{2} - ΔH 3 - L \sin α - vt

其中t为超声波测潜仪两次输出间隔的时间，L为近水面航行器的长度；

402．近水面航行器的真实潜深H为：

H = \frac{\frac{H 1 + H 2}{2} + H 3}{2}

2.如权利要求1所述的一种近水面航行器潜深及垂荡测量方法，其特征在于，所述步骤二中预处理的四组数据分别为姿态传感器测量的近水面航行器俯仰角、垂向速度；两组液位传感器测量的近水面航行器首部和尾部的潜深；

预处理过程为：

3.一种近水面航行器潜深及垂荡测量装置，其特征在于，包括两个液位传感器、姿态传感器、超声波测潜仪和数据处理单元；所述两个液位传感器分别布置在近水面航行器的首尾，用于测量近水面航行器首尾两端的潜深；所述超声波测潜仪布置在近水面航行器的中间位置，用于测量近水面航行器上表面与水面的距离；所述姿态传感器布置在近水面航行器的浮心位置，用于测量近水面航行器的俯仰角和垂向速度；所述数据处理单元位于近水面航行器的控制舱内，采集并处理压力传感器、姿态传感器和超声波测潜仪的测量数据。

4.如权利要求3所述的一种近水面航行器潜深及垂荡测量装置，其特征在于，所述姿态传感器由陀螺仪和角速度计组成。